Entwicklung einer 3D-druckbaren Windkraftanlage

Hi, ich bin neu hier also erst mal zu mir:
Ich bin Emily, 23 Jahre alt und mache gerade meine Ausbildung zur Mechatronikerin. Für das Thema Windenergie und Kleinwindanlagen interessiere ich mich schon lange und konnte auch schon einige Erfahrungen sammeln, zuletzt mit einer ca. 80cm großen Anlage, die 5 Jahre auf dem Balkon des Elternhauses lief.

Für dieses Projekt habe ich mir die Entwicklung einer Windkraftanlage, die Jeder einfach nachbauen kann, vorgenommen. Für viele Menschen ist der 3D Drucker das einzige komplexe Werkzeug, deswegen soll der Nachbau möglichst nur mit 3D Druck und Handwerkzeugen gelingen. Ziel ist es, die Anlage zu entwickeln, einen Protorypen zu bauen und zu testen, das ganze ordentlich zu dokumentieren und am Ende alle 3D Dateien und eine Bauanleitung zur freien Verfügung hochzuladen.

Aber nun zum Design der Anlage:

Die Rotorblätter sollen 3D gedruckt und mit einem Carbonstab verstärkt werden. Den Durchmesser habe ich auf 70 cm festgelegt, damit ein 1 m langer Carbonstab für 3 Blätter reicht. In der Mitte bleiben dann noch 4 cm "Fleisch" für die Befestigung der Achse. Einen 1 m langen und 6 mm dicken Carbonrundstab habe ich noch rumliegen, der erscheint mir dick genug und soll erst mal verwendet werden.
Als Blattprofil habe ich das NACA 4412 ausgewählt, was ja scheinbar häufiger zum Einsatz kommt. Nach etwas Rumspielen mit dem Excel-Tool zur Blattauslegung bin ich bei einer SLZ von 4 gelandet. Nach Schmitz ist die Blattspitze dann 62 mm breit. Wenn ich die Dicke von 12% auf 13% erhöhe, ist die Blattspitze 8,06 mm dick, da passt der Carbonstab gerade so noch rein. Die Aerodynamik sollte davon hoffentlich kaum beeinflusst werden. Ich habe mal einen Screenshot des Excel-Tools in den Anhang gepackt.
Gerade für so kleine Anlagen wird ja häufig der Einsatz von Zackenband oder Turbulatoren empfohlen. So etwas könnte ich natürlich beim 3D Druck direkt mit erzeugen. Gibt es da Tipps, wo, welche Form, wie groß und wie viel ich davon brauche?

Bei der Sturmsicherung tendiere ich aktuell zur Helikopter-Sicherung, die ist in der Auslegung etwas einfacher als Furling und damit habe ich auch schon Erfahrung von früheren Anlagen. Funktioniert ja scheinbar bei den Antaris Anlagen auch ganz gut. Abregeln soll die Anlage schon recht früh, vielleicht bei 9-10 m/s, schließlich ist ja alles nur aus Plastik.

Der Generator soll natürlich auch gedruckt werden, idealerweise als Außenläufer-Ringgenerator. Wie genau ohne Dreh-und Fräsmaschine eine Rückschlussplatte für die Magneten gebaut werden soll, ist noch offen. Zur Not muss es halt ohne gehen. Der Stator soll natürlich eisenlos werden, dort bietet sich der 3D Druck geradezu an.
Die Auslegung des Generators ist für mich auch generell noch ein leeres Blatt, da muss ich mich noch einlesen und evtl. ein paar Prototypen bauen.

Schlussendlich soll mit der Anlage dann ein 12 V Bleiakku geladen werden, der Einfachheit halber vom Gleichrichter direkt auf den Akku, die Spannung könnte evtl. von einem Arduino überwacht werden.

Der nächste Schritt ist jetzt erst mal, den Rotor zu bauen und zu testen, wenn das funktioniert, kann ich anfangen, mir Sorgen um den Generator zu machen. Einen geeigneten Ort für Langzeittests habe ich leider nicht, aber vielleicht findet sich da ja noch eine Lösung.

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Hallo Emi,

Du weist schon in etwa wieviel Energie man mit 70 cm D ernten kannn - nehme ich mal an und dass Dein Projekt zunächst nur als Anfang, als Experimentiermodell und zum Samme,n von Erfahrungen gerichtet ist, weniger auf Ertrag oder Rentabilität.

Sonst wäre das Ganze technisch etwas überladen, zumindesr schon wegen der Helikopter Sicherung die bei so kleinen Rotoren eher überflüssig ist wenn diese solide genug gebaut sind.

Vielleicht könnte auch die SLZ 4 zu Enttäuschungen führen, abhängig von den Strömungsbedingungen am Standort. Je höher die SLZ desto geringer das Drehmoment, das ist wichtig zu wissen wenn man sein Windrad an einem der in Deutschland häufigsten Standorte aufsellen möchte.

Das frühzeitige bzw. späte Anlaufen eines Windrades bestimmt das optimale Spektrum der Windgeschwindigkeiten in dem es erfolgreich arbeiten kann, mit anderen Worten - ein Windrad mit Schnelllaufzahl 4 wird in der Regel bei Schwachwind eher nur stillstehen.

Eine Helikoptersicherung als Aufgabe beim ersten Projekt kann Freude machen und zum Erfahrung sammeln sehr gut, sieht ja auch sportlich aus, bei den Flügeln solltest Du dann doch darauf achten, dass die SLZ zu Deinem Standort passt.

Ein vergleichbar grosses Windrad läuft bei mir seit 15 Jahren wartungsfrei ohne jede Sturmsicherung mit einem Howard Schrittmotor der ein sehr stabiles Lager auf eine eigens dafür gedrehten dickeren Aufnahme Hülse gesteckt vor dem Motor und hinter der Rotornabe sitzt weil Lagerschäden durch Vibrationen und Wechsellasten besonders gerne dort direkt hinter der Nabe auftreten.

Sehr gut ist die Verstärkung mit dem Carbonfiberstab, meim Rotor zum Beispiel hat einen Gummipuk vom Eishockey als Nabe in der 3 Carbonstäbe eingelassen und verklebt wurden.

Mit Pattex Extrem wurden an die Carbonstäbe Alu-Lamellen von einem Fensterrollo (wird zum Abdunkeld oder gegen zu starke Sonneneinstrahlung genutzt und lässt sich leicht kostenfrei irgendwo auftreiben) und um die Bei Pattex Extreme sehr gute bombenfeste und leicht flexible Klebestelle zusätzlich zu schützen wurde ein Panzertape (Nylon Reparaturklebeband vom Segelsport um den Carbonstab mit den Alulamellen geklebt.

Merke- je leichter die Flügel sind desto weniger Probleme bei hohen Windbelastungen durch Fliehkräfte etc. So jedenfalls wird bei Rotorabmessungen in Deiner Grösse keim Problem bei Sturm auftreten und was die elektrische Belastung bei Orkan angeht, das steckt auch der Howard Schrittmotor locker weg der bei mir über eine Gleichrichterbrücke an ein paar oder nur 1 LED angeschlossen sind was bei mir nack X Stürmen die ja zwischendurch auch mal auftreten ebenso wie der gesamte Rotor noch nie ausgetauscht oder repariert werden mussten.

Die Idee zu den Carbon Aluflügeln und der Nuzung des Howardmotors hatte ein hier im Forum als Mitglied registrierter Mitautor und Ingenieur (der namentlich nicht genannt werden möchte) und dem jedenfalls die Ehre gebührt und die Ausführung mit dem Zusatzlager (fast so gross wie der ganze Howardmotor) und auch die Umklebung der Carbonstäbe mit den Alulamellen habe ich selber aus dem "Ärmel geschüttelt" weil der Ing. mich um Rat gebeten hatte, vorher waren seine Modelle nicht so langlebig.

Hoffe Dir geholfen zu haben,

Carl